350MW容量等级双抽汽轮机的技术创新

第39卷第1期2010年3月热力透平THERMALTURBINEVOI39NO1MAR2010350MW容量等级双抽汽轮机的技术创新金光勋，彭泽瑛上海电气电站设备有限公司上海汽轮机厂，上海20O24O摘要为满足节能环保，减少C0Z排放，发展热电联供发电的要求，上海汽轮机厂最新推出了35OMW容量等级的双抽汽汽轮机系列。本文论述了调整抽汽设计的关键，以及在开发双抽汽模块设计中，在通流部分、结构、配汽机构等方面所采取的优化技术和创新。结果表明，该系列产品是安全、可靠、高效的，具有广阔的市场前景。关键词汽轮机；双抽汽；旋转隔板中图分类号TK261文献标识码A文章编号16725549201001003705TECHNOLOGICALINNOVATIONOFTHE350MWCLASSDUALEXTRACTIONSTEAMTURBINEJINGUANGXUN，PENGZEYINGSHANGHAIELECTRICPOWERGENERATIONEQUIPMENTCO，LTDSHANGHAITURBINEPLANT，SHANGHAI200240，CHINAABSTRACTINORDERTOSATISFYTHEDEMANDSFORENVIRONMENTALPROTECTIONANDENERGYSAVING，CO2EMISSIONSREDUCING，ANDDEVELOPMENTOFTHETURBINEWITHHEATANDPOWERSUPPLY，THENEWSERIESOF350MWCLASSDUALEXTRACTIONSTEAMTURBINESHAVEBEENDEVELOPEDBYSHANGHAITURBINEPLANTTHISARTICLEDESCRIBESKEYDESIGNTECHNOLOGIESFORTHEREGULATIONEXTRACTIONTURBINEANDBRIEFLYINTRODUCESTHEDUALEXTRACTIONSTEAMTURBINESTECHNOLOGICALINNOVATION，SUCHASBLADEPATHDESIGN，CONTROLROTARYDIAPHRAGMDESIGNANDEXTRACTIONSTEAMCONTROLDISTRIBUTINGSTRUCTURETHERESULTSHOWSTHATTHESERIESOFTHEPRODUCTSWITHHIGHEREFFICIENCYARESAFEANDRELIABLE，ANDHAVEGOODPROSPECTSINPOWERMARKETKEYWORDSSTEAMTURBINE；DUALEXTRACTION；CONTROLROTARYDIAPHRAGM与纯凝发电加锅炉供热相比，在蒸汽热力循环过程中由热电联供汽轮机中抽出已膨胀做功压力较低的蒸汽作为供热汽源，可以大幅度提高热效率，降低一次能源的消耗和排放。为此，提高电煤比例，在城镇建设中实施热电联产，进行区域集中供热，以代替原先的小火电、小锅炉，是实现低碳化经济高速增长，执行“节能减排，上大压小”政策最为有效的途径之一。汽轮机制造厂按蒸汽参数、热电容量、抽汽参数形成相应的单抽或者双抽汽产品系列，以满足两类不同热用户的要求一是需常年供热的工业用户，其压力一般要求较高，为4120785MPA；另一是每年仅冬季需要的采暖供热，要求的抽汽压力在06370118MPA之间。上海汽轮机厂下简称STP具有50年设计制造热电联供汽轮机的历史，基于成熟可靠的设计体系，先后形成了61000MW，进汽参数从中压到超超临界，抽汽压力为011841MPA，较为完整的抽汽汽轮机系列。自1998年首台两缸两排汽高中压合缸亚临界300MW采暖抽汽机组在天津杨柳青电厂投运以来，热电联供产品参数和容量升级到亚临界和超临界350MW容量等级。上汽至今已开发了湿冷和空冷，抽汽压力037912MPA，最大抽汽量为600TH的5种两缸两排汽单抽汽轮机。2008年，为了同时满足工业用汽和采暖的需要，在已有近40年运行业绩的高中压分缸模块基础上，STP又推出了新的350MW等级三缸两排汽，带两级调整抽汽的机型。首台湿冷350MW和空冷330MW机组分别用于华能济宁电厂和太原二热电厂。本文将对该三缸双抽汽机组的技术特点作简要介绍。收稿日期20091214修订日期2010一O127作者简介金光勋1982一，男，助理工程师，2005年毕业于大连理工大学热力涡轮机专业，从事汽轮机通流设计开发工作。|III第1期350MW容量等级双抽汽轮机的技术创新1两种抽汽式汽轮机的设计原则2总体设计热电联供抽汽汽轮机蒸汽流量变化大，因而，机炉蒸汽容量的匹配方式将直接影响到热电联供抽汽汽轮机进汽参数、再热、热电容量比，及通流部分的设计。为此可区分为一机多炉的非再热以及单机单炉再热机型这两种不同的抽汽式汽轮机设计原则。一机多炉母管制的汽轮机蒸汽流量变化幅度很大，仅适用于非再热、超高压参数、容量在120MW以下的机型。例如双抽汽高压100MW机组，抽汽压力为4120196MPA，纯凝汽工况1O0MW出力的进汽流量为355TH；抽汽量越大，进汽量和出力越大，最大抽汽工况的进汽量是凝汽工况的177倍增加到630TH，而电功率为凝汽工况的125，增加到125MW。一机多炉母管制抽汽汽轮机的各段通流部分按不同的工况进行设计。亚临界中间再热机组必须采取单机单炉制的设计原则。其抽汽量、进汽量和功率的关系与多炉制相反，即纯凝最大进汽流量工况下的电功率也最大，电功率随着抽汽量增加而下降。机组高压通流部分的热力和强度按最大进汽流量设计，中、低压段的设计有两种方案1与高压一样，按纯凝汽最大流量设计中、低压通流部分；2对带工业抽汽的机组，按额定工业抽汽工况流量及抽汽压力设计中低压通流部分。上述中低压通流部分两种设计方案都不涉及模块的变动，可按模块应用时，具体产品合同的要求进行叶片级的设计。显然在方案1各段设定的压力不同，将得出不同的通流部分。同样，方案2也将配置较小的中、低压通流面积，低压缸通流部分变工况运行的幅度小，但一旦工业抽汽量减少，锅炉流量，即高压进汽和机组功率将同步下降，因此这种配置原则仅适合于具有稳定大流量工业抽汽的机组。STP的亚临界350MW中间再热双抽汽汽轮机系列均采取单机单炉制，按具体产品合同的要求进行通流叶片级的设计。目前2个产品通流部分均按最大纯凝汽工况流量进行设计。圄一蠢21模块化设计原则STP在产品设计上一直遵循模块化的设计原则，即每一种机型由适应一定参数和容量的各个汽缸为单元的模块组成。为此一个新型产品系列的开发，可能面对两类性质的设计任务新模块开发以及在已有模块基础上进行产品订单设计。新模块开发涉及阀门、汽缸、转子、轴承等所有部件的气动、强度结构设计，涉及面广，开发周期长，必须要有成熟的设计技术和经验的支撑。已有模块的产品订单设计，一般只需按合同产品订单的具体要求，选定合适的模块，并按具体的流量和参数要求进行通流部分叶片级的设计，模块的其他部件均可保持不变。模块化的设计原则将产品的开发分解为两个层次，可适应市场产品多样化，通用性好，合同产品设计周期短，而且不同产品的运行业绩可相互借鉴，保证每个产品的开发成功率。22三缸两排汽的型式考虑到工业抽汽和采暖抽汽调整压力装置的配置，350MW等级双抽汽汽轮机系列产品采用高中压分缸的三缸两排汽型式，由一个单流高压缸、一个单流中压缸及一个双流低压缸组成。单流高压缸可以通用洛河、石洞口等320MW凝汽机组的模块，中压缸是一个内置工业调整抽汽装置一旋转隔板的新模块。采暖抽汽的配汽机构在中压排汽及中低压联通管上，为此该中压模块的排汽压力还必须与采暖抽汽压力相配，并配置相应的采暖抽汽口。低压缸同样可通用标准的模块，针对不同产品合同的排汽容量，选择标准的末级长叶片。机组的总体见图1所示。综上所述，350MW等级双抽汽汽轮机系列的高压缸、低压缸为标准的模块，中压则是一个具有两级调整抽汽的新模块。这里要着重指出，按积木块设计原则，模块的叶片级尺寸并不是固定的，可按具体合同产品的参数和流量要求设计相应的叶片级。目前首批两个合同产品分别为湿冷350MW以及空冷330MW，高中压相同的叶片设计，低压缸则采取不同的标准模块和不同的叶片设计。350MW容量等级双抽汽轮机的技术创新热力透平3标准的单流高压缸模块图1机组总装配示意图高压缸采用标准的单流冲动式结构见图2，主要参数和容量为额定进汽压力167MPAA；额定进汽温度538；最大主蒸汽流量1215TH。图2单流冲动式高压缸纵剖面不恿图高压配置4个单侧油动机的调节阀与4组喷嘴组相连。通流部分包括1个调节级和8个冲动式的压力级。根据参数和流量，按速比的优化原则分配各级焓降，生成光滑的叶片通道，包括叶型、叶高、围带、叶根型式及各种结构几何尺寸。按全三元流动设计技术优化动、静叶片。该模块采用了一系列先进、成熟的设计技术及结构部套，如高窄法兰结构，取消法兰加热装置；调节级喷嘴采用子午面型线，减少二次流损失；多齿汽封；定中心梁结构；自带围带动叶，“T”叶根；三又三联体的调节级动叶；无中心孑L转子等。该模块已有近40年的运行业绩，采用3D气动技术的优化设计产品也已投运10年，有非常成熟的业绩，流量范围为10251215TH。4带调整抽汽的单流中压缸模块中间再热中压缸为单流冲动式型式见图3。根据双抽汽机组的要求，新的中压模块带有一个内置旋转隔板结构的工业调整抽汽机构，中压排汽增加一个采暖抽汽口，采暖抽汽的压力调整装置在中低压联通管上。主要参数和容量要求为额定进汽压力3236MPA；额定进汽温度538；调整抽汽压力0812MPA；调整抽汽装置旋转隔板；排汽压力0379O625MPA。图3单流冲动式中压缸纵剖面不意图300MW容量等级无调整抽汽的单流冲动式模块已有近40年的运行业绩，采用先进的3D气动技术，优化设计的机组已投运1O年。在具有两级调整抽汽的新模块设计中，在STP近40年旋转隔板设计经验的基础上，针对再热汽轮机中压缸的特点，采取了一系列保证运行可靠性的优化和创新技术。目前两个合同产品要求的工业及采暖最大抽汽量为150TH和370TH。41旋转隔板的技术创新工业调整抽汽配汽机构采用了旋转隔板的结构形式。旋转隔板安装在通流部分中间，通过执行机构改变隔板的通流面积，对主流的节流达到调整级前压力的目的。STP已有4O年的应用和设计经验，形成了不同尺寸和参数的旋转隔板系列。旋转隔板由喷嘴、隔板体、转动环、平衡环4个部分组成见图4。喷嘴安装在隔板体上，转动环定位在隔板体上，随着它的转动改变隔板的通流面积；平衡环固定在隔板体上，它起到减小转动环与隔板体之间的磨擦力的作用，其原理是在平衡环与转动环之间有一节流口，经节流孔道通向喷嘴前的汽道中，当转动环关小时，节流口的节薯一LI蛋350MW容量等级双抽汽轮机的技术创新热力透平1下游通流部分设计采取按较高进口压力0625MPA、通流面积较小、抽汽工况调节阀节流压损小、效率较高的设计原则。2采取双阀调节实现调整抽汽压力全程覆盖的功能。如前所述，按高进口压力设计低压通流的方案，减少了抽汽工况运行时主流的节流压损，效率高，但带来的问题是在小抽汽流量，或者负荷较大、主蒸汽流量较大的情况下，抽汽蒸汽压力可能高于要求的调整抽汽压力，为此，必须通过抽汽管道上的抽汽阀节流达到调整抽汽压力全程覆盖的功能。由于双阀调节配汽以小抽汽流量的节流损失替代了单阀调节配汽对大流量主蒸汽的节流，因此双阀配汽方式的经济性将明显高于单阀配汽方式。3优化采暖抽汽的结构设计。在双抽汽机组中，对现有300MW采暖抽汽机组的抽汽装置进行了优化改进以碟阀取代以往的提升式截止调阀，所以可以将原有的2根平行联通管优化为配置14M口径碟阀的单个联通管。由于连通管碟阀口径比较大，所以布置在连通管的水平段设置弹簧支架见图7。图7联通管阀门布置示意图5选配末级长叶片末级叶片的配置是决定机组经济性以及可靠性的主要因素之一。从经济性角度，末级叶片的选配取决于排汽容量的大小，即不仅与机组的排汽蒸汽流量大小有关，而且与背压高低有关。从安全可靠性角度考虑，末级叶片的动应力与蒸汽流量以及容量流量两个因素有关，在设计中一方面必须考核最大蒸汽流量下的动应力；另一方面又要对出现负功以及附加激振动应力的小容量流量工况进行考核。STP具有排汽面积大小按25间隔的长叶片系列，供不同排汽容积流量的机组选用。相对于350MW容量的两排汽模块，湿冷的叶片有905MM，1050MM；空冷的叶片有665MM、540MM叶片。51整圈自锁结构STP的长叶片系列采取了整圈自锁结构型式，叶片带有整体围带和凸台，在额定转速状态下围带、凸台自锁成整圈连接的叶片级，形成了较高的结构阻尼，减小了动应力；相对于自由叶片，整圈自锁叶片的重量较轻，叶轮应力小；相对成组叶片，整圈自锁叶片不存在因铆接和焊接带来的应力集中。52按容积流量选配末级长叶片相对抽汽机组，末级叶片的选配原则有两条第一，考虑到全年大部分时间是在无采暖状态下运行，因此，应按无采暖抽汽工况下轴向排汽的原则选配长叶片；第二，抽汽机组必须考虑小容积流量工况下气流回流而导致动应力大幅度增加对末级叶片安全可靠性的影响，要求在最大采暖抽汽工况下，末级叶片不长期处在低轴向马赫数、负功、大回流状态下运行。根据上述原则，目前两个产品，350MW湿冷和330MW空冷机组分别选配整圈自锁型的1050MM和665MM强化性叶片的低压模块。6结论热电联供发电技术是燃煤电厂节能减排最为有